Взаимосвязь основных внутриколониальных процессов при ветвлении у колониальных гидроидов

А. А. Леонтович, Н. Н. Марфенин

Колониальные гидроиды стали удачной моделью для изучения механизмов интеграции примитивных биосистем организменного уровня. В процессе роста форма, размеры и число компонентов колонии все время меняются, но остаются оптимальными для данных условий существования. Это достигается с помощью регуляции потребления питательного материала при линейном росте, ветвлении и увеличении объема тела, связанных друг с другом определенной последовательностью смены процессов.

Особенности морфологии и физиологии гидроидных полипов делают их одними из наиболее удачных объектов для исследования закономерностей взаимосвязи отдельных морфогенетических актов с единым процессом формообразования целостной, хорошо интегрированной живой системы — колонии гидроидов.

Все части колонии морфологически и по происхождению являются единым телом с общей гастроваскулярной полостью, через которую осуществляется транспорт пищи, продуктов обмена веществ и, возможно, клеток на значительные расстояния. Таким образом, взаимосвязь основных внутриколониальных процессов (пищеварения, пролиферации, роста, редукции частей колонии, ветвления) осуществляется через гидроплазму—жидкость, заполняющую полость колонии. Несмотря на примитивность распределительной системы, ее функционирование обеспечивает достаточно эффективную физиологическую интеграцию колонии в единый организм (Карлсен, Марфенин, 1984; Марфенин, 1985, 1986). Это проявляется в поддержании в процессе роста колонии определенных соотношений между количествами разнотипных составляющих. Нарушение количественных пропорций вызывает такие изменения в росте, которые приводят к восстановлению утраченных соотношений (Марфенин, 1977; Stebbing. 198I).

В настоящее время уже получены данные о характере зависимости роста колонии от интенсивности питания (Bravennan, 197I, 1974; Марфенин, Бурыкин, 1979; Бурыкин, 1980; Марфенин, 1987), о степени автономности ростовых пульсаций верхушек столонов и побегов (Косевич, 1988).

Назрела необходимость ответить на вопрос: от каких факторов зависит ветвление колоний, играющее ведущую роль в обеспечении их оптимального строения и роста? Решая эту задачу, мы использовали оправдавший себя ранее метод анализа морфологии объекта при разных режимах его кормления (Марфенин, 1986) и удобный модельный объект — стелющиеся колонии гидроида Cordylophora inkermanica (Marfenin, 1983).

Материал и методы

С. inkermanica — представитель примитивных колоний стелющегося типа из сем. Clavidae, подотряда Athecata, отряда Leptolida. У этих гидроидов побеги короткие и ветвятся слабо, поэтому зооиды отходят обычно непосредственно от столонов. Материал собран в Севастопольской бухте Черного моря; гидроидов культивировали в лаборатории. Морфология и биология вида описаны ранее (Марфенин, 1983, 1985). Проведены три серии экспериментов: первая и вторая—на Беломорской биостанции МГУ в 1984 и 1987 гг., третья—на кафедре зоологии беспозвоночных биологического факультета МГУ в 1984 г. В первых двух сериях животных содержали в 5-литровом кристаллизаторе, воду в котором меняли один раз в два дня. В третьей серии опытов гидроиды находились в 40-литровом аквариуме с беломорской водой (соленость 28°/оо). Осуществлялась постоянная аэрация и фильтрация воды через отдельный грунтовый фильтр. Воду не меняли 4 мес. Температура содержания в первой серии была 14±2°С, во второй 15±2°С и в третьей 14±1°С.

Колонии выращивали на стеклах по методике Кроуэлла (Crowell,, 1957) из отрезков столона длиной 1,5—4,5 мм, в каждом из которых было по одному гидранту. Гидрант и отрезок мы называем “начальными”, а столон, являющийся продолжением начального отрезка,— “центральным” или “главным” столоном. На центральном столоне в результате его ветвления образуются боковые столоны (рис. 1, 2).

Эксперимент проводили в первые 8—14 сут роста начального отрезка. Каждый гидрант колонии кормили индивидуально из пипетки. Кормом служили свежевылупившиеся науплиусы Artemia sp. Среднесуточное количество корма, полученное каждой колонией, было пропорционально ее размеру, который выражали суммарной длиной гидроризы в миллиметрах. Удельные количества пищи значительно различались в колониях, что позволяло сравнивать эффект кормления. Ежедневно проводили картирование колоний по известной методике (Марфенин, 1980). Всего был изучен рост 66 колоний. Для определения объемных параметров роста в 14 из них проведено измерение диаметров перисарка, ценосарка и гастральной полости. Измерения проводили in vivo в проходящем свете под микроскопом с точностью до 4 мкм через каждые 0,5 мм по длине столона. Таким образом, число промеров было пропорционально размерам колоний. В малых колониях (с длиной гидроризы 8—9 мм) сделано по 14—18, а в больших (длиной 80—100 мм) по 150—200 промеров. По результатам измерений вычислены значения толщины стенок ценосарка столонов, что дало возможность определить объем ткани в них.

Рис.1. a — общий вид небольшой колонии, выращенной на пластине из оргстекла. Н. СТ.—начальный столон; Н. Г.—начальный гидрант; Ц, СТ.—центральный столона Б. СТ.— боковой столон; П. Б. СТ.— почка бокового столона; В. Р. ОТ.— верхушка роста столона; П. Г.— почка гидранта; М. Г.— молодой гидрант; ВЗ. Г.— взрослый гидрант; Р. Г.— редуцирующийся гидрант; Н — науплиус Artemia sp.; П.— кончик пипетки; б—карта-схема этой же колонии. Цифры—расстояние между структурами, мм:

1—взрослый гидрант; 3—молодой гидрант; 3—редуцирующийся гидрант; 4—почка гидранта; в — схема поперечного среза столона. Промеры диаметров: D1 — перисарка (П.); D2.—ценосарка (II.); D3—гастроваскулярной полости (Г. В. П.)

Рис. 2. Фотография бокового столона через 12 ч после его образования

РЕЗУЛЬТАТЫ

Поскольку колонии существенно различны по размерам, то абсолютное число науплиусов (F1), полученное каждой из них в течение эксперимента, не может служить показателем интенсивности питания.

Универсальной характеристикой размера колонии является длина гидроризы (L). Остальные параметры — число верхушек роста столонов (В), число гидрантов—редуцирующихся (Hd), формирующихся (Нi2) и взрослых, сформированных (H),—пропорционально L.

Поэтому интенсивность питания мы определяли удельным среднесуточным количеством пищи F/Lt; (науплиусов/(мм-сут), где t—период времени, сут, который прошел со времени выделения начального отрезка до того, как проводили измерения. Интенсивность питания в разных колониях была различна—от 0,03 до 0,49 науплиусов/(мм-сут).

Динамика роста существенно различалась в колониях, получавших различное количество пищи. Для характеристики морфологии и динамики роста колоний мы использовали следующие показатели.

1. Скорость роста верхушек столона (l/В) отражает величину средней скорости роста любого столона в колонии. Для его вычисления значение суточного прироста всей колонии делили на общее число верхушек ее столонов.

2. Вероятность образования новых столонов в колонии (Р) вычисляли делением числа колоний, в которых при заданных условиях кормления образовался хотя бы один столон, на общее число колоний, содержащихся при таких же условиях. Вероятность выражали в процентах.

3. Разветвленность гидроризы (B—2/L) показывает, сколько боковых столонов приходится на единицу длины гидроризы колонии. Для вычисления этого параметра число верхушек столонов без двух делили на суммарную длину столонов колонии. В неразветвленной колонии, которая состоит из одного столона с двумя верхушками (В =2), этот показатель принимает нулевое значение.

Рис. 3 . . Рис. 4

Рис. 3. Изменение скорости роста столона (/) и коэффициента вариации (С. V.} (2) с течением времени (сут). Каждая точка соответствует среднему значению для выборки из 10 колоний

Рис. 4. Зависимость средней скорости роста верхушки столона {l/B) от интенсивности питания колонии (F/Lt). 1—значения для неветвящихся колоний; 2—значения накануне ветвления колонии. Прямая определяется уравнением l/B = 0,Ol5 F/lt —0,095, коэффициенты которого вычислены по методу наименьших квадратов для интервала 0 < F/Lt £ O,150. Распределение экспериментальных точек на указанном интервале достоверно соответствует уравнению прямой (коэффициент корреляции С. V. = 0,0664).

4. Удельное число гидрантов, на рост которых расходуется питательный материал (Hg2/L=Hi2—Hd /L.). В литературе имеются указания на то, что клеточный материал, освобождающийся при рассасывании гидрантов, может переноситься гидроплазмой в другие части колонии и использоваться там для их роста (Nathanson, 1955; Hale, 1964; Braverman, 1974). Поэтому мы предположили, что количество питательного материала, поступающего в колонию в результате дедифференцировки одного старого гидранта, примерно эквивалентно тому количеству материала, которое расходуется на рост одного нового.

Для вычисления введенного показателя разность между числом гидрантов, находящихся в процессе формирования (такими мы считали растущие гидранты, у которых было менее шести щупалец), и числом дегенерирующих делили на суммарную длину гидроризы колонии.

5. Объем ткани единицы длины ценосарка (v/L) вычисляли, измеряя диаметр ценосарка и гастроваскулярной полости, и затем по соответствующей формуле—площадь сечения стенки ценосарка в данном месте столона. Сделав большое количество замеров в колонии, вычисляли среднюю площадь, сечения ценосарка в ней. Объем ткани единицы длины ценосарка имеет то же численное значение и ту же размерность (мм), что и площадь сечения.

Измерение скоростей роста столонов в 10 колониях, получивших примерно одинаковое небольшое количество пищи,—0,126 (С. V.=0,191) науплиусов/(мм×сут), показало, что в первые 6 сут после выделения из материнской колонии рост столона еще не стабилизирован (рис. 3). В этот период изменение скорости роста носит нерегулярный характер и вариабельность средних ее значений в разных колониях непостоянна в течение времени, но, начиная с 7-х сут, стабилизируется. По этой причине мы рассматривали лишь те морфологические показатели, которые относились к периоду стабилизированного роста колоний — с 7-х по 14-е сут.

Когда интенсивность питания не превышает величины 0,200 науплиусов/(мм×сут), средняя скорость роста столона тем выше, чем больше среднее количество пищи, полученное колонией (рис. 4). Распределение экспериментальных точек достоверно соответствует уравнению линейной регрессии l/B = 0,015F/t - 0,095 (г-0,664; n - 36), вычисленному по методу наименьших квадратов. При более интенсивном питании ускорения роста не происходит. В этих условиях уже в большинстве колоний (более 55%) образуются новые столоны, за счет которых об щий прирост гидроризы продолжает увеличиваться (рис. 5), несмотря на то, что скорость роста каждого отдельного столона больше не возрастает.

На характер ветвления столонов влияют количество пищи и динамика поступления ее в колонию. Кормление проводили двумя разными способами. В одной группе (33 колонии) удельное среднесуточное количество пищи было в каждой колонии довольно постоянно. Средний коэффициент вариации показателя интенсивности питания (F/Lt) для 23 колоний (n =23) составил 0,37. В другой группе (33 колонии) каждая колония сначала получала ежедневно одно и то же небольшое количество пищи (F/Lt=0,137; C.V.=0,55) и новых столонов в них не образовывалось. На 7—14-е сут роста каждая колония получала одноразовую избыточную дозу корма (F/L = 0,434; С. V. = 0,32), так что среднее значение показателя F/Lt изменялось в среднем на 0,038 науплиусов/(мм×сут) (C.V.=0,57). Такое “импульсное” кормление приводило к образованию боковых столонов. Условия ветвления столонов в первой и второй группах колоний несколько отличались.

В первой группе вероятность образования почки столона (Р) возрастает с увеличением интенсивности питания (рис. 6, а). При интенсивности питания менее 0,100 науплиусов/(мм×сут) новых столонов не образуется. Далее при увеличении количества пищи от 0,100 до 0,250 науплиусов/(мм×сут) вероятность образования столонов увеличивается и при интенсивности питания 0,250 и выше составляет 100%. Среднее число образующихся почек столонов почти не зависит от интенсивности питания и составляет 3,5—4 почки на колонию (рис. 6, б). Однако показатель разветвленности гидроризы B—2/L при этом все же несколько увеличивается (рис. 6, в). Это связано с тем, что при обильном кормлении ветвление в колонии начинается раньше, когда длина гидроризы еще невелика (рис.6,г). При более умеренном питании ветвление начинается на 2-3 дня позже, когда размер колонии несколько больше.

Рис. 5. Изменение суточного прироста гидроризы (l) (сплошная линия) и средней скорости роста верхушек столонов (1/В) (пунктирная линия) с течением времени. Цифры рядом с отрезками сплошной линии означают число почек столонов, образовавшихся за сутки

Импульсное кормление вызывает более или менее значительное увеличение средней интенсивности питания, в среднем на 0,038 науплиусов/(мм×сут) (С.V.=0,56; n=30). Оказалось, что ни вероятность ветвления гидроризы, ни число образующихся столонов практически не зависят от величины интенсивности питания, возросшей в результате импульсного кормления (рис. 6, д, е). Вероятность ветвления возрастает от 70 до 80% при увеличении показателя F/Lt от 0,100 до 0,250 науплиусов/(мм×сут). Среднее число образующихся столонов при этом возрастает от 3,15 до 3,30 экз/колонию. Такое изменение не является достоверным (t=0,200; п=28). Почки столонов появляются через 26±2 ч после импульсного кормления.

В тех колониях, которые получали мало пищи (менее 0,100 науплиусов/(мм×сут), формирующихся гидрантов было меньше, чем рассасывающихся. В этих случаях показатель Hg/L принимает, отрицательные значения (рис. 7). При увеличении интенсивности питания величина этого показателя возрастает, причем какого-либо предельного его значения в наших экспериментах обнаружено не было. Среднее значение параметра Hg/L (0,123) достоверно выше (t=2,227; n=24) в тех колониях, где не образовалось ни одного бокового столона, и ниже (Hg/L=0,056) в тех, которые ветвятся.

С увеличением удельного среднесуточного количества пищи возрастает средняя площадь сечения трубки ценосарка столона (рис. 8). Зависимость площади сечения перисарка от питания имеет аналогичный характер. В среднем площадь сечения ценосарка в экспериментальных колониях составил 2,83×10-3 мм3. Минимальное значение, которое было зарегистрировано,—1,82×10-3, а максимальное — 4,43×10-3 мм3. Разность объемов ткани ценосарка двух колоний одинаковой длины (L=20 мм), в одной из которых интенсивность питания была 0,050 науплиусов/(мм×сут), а в другой 0,380 науплиусов/(мм×сут), составила 1,2×10-2 мм3. Эта величина соответствует объему ценосарка столона длиной 4 мм, т. е. трехдневному приросту одной верхушки столона при обильном питании (0,300 науплиусов/(мм×сут). Расчеты показали, что если удельное среднесуточное количество пищи в одной колонии на 0,400 науплиусов/(мм×сут) больше), чем в другой, то общие объемы тканей ценосарков этих колоний должны различаться в 2 раза. Кроме того, подсчитано, что возрастание интенсивности питания на 0,050 пауплиусов/(мм×сут) вызывает увеличение объема ткани, эквивалентное объему ценосарка столона длиной 0,6 мм. Скорость роста столона при таком изменении интенсивности питания увеличивается на 1 мм/сут.

При недостаточном питании (менее 0,100 науплиусов/(мм×сут)) в колонии происходит редукция столонов и гидрантов. Ценосарк при этом уменьшается в толщине — “худеет” и столон укорачивается с концов. Число редуцирующихся гидрантов в таких колониях превосходит число растущих. На приведенных графиках этой ситуации соответствуют отрицательные значения показателей 1/В, В—2/L и HgfL (рис. 4, 6, 7).

).

Рис. 6. Влияние литания на ветвление гидроризы колонии. Цифры над гистограммами указывают объем выборок, а—зависимость вероятности образования почек боковых столонов (Р) от интенсивности питания (F/Lr) при равномерном кормлении; б—зависимость числа почек боковых столонов (В) от интенсивности питания (F/Lt) при равномерном кормлении; в — изменение показателя раэветвленности гидроризы (В — 2/L) в зависимости от интенсивности питания {F/Lt} при равномерном кормлении; г — значения интенсивности питания н размера колонии (L), при котором произошло ветвление в колониях при равномерном кормлении; д—зависимость вероятности образования почек боковых столонов (Р) от интенсивности питания {F/Lt} при импульсном кормлении; е—зависимость числа почек боковых столонов (6) от интенсивности питания {F/Lt} при импульсном кормлении

Рис. 7. Зависимость удельного числа гидрантов, на рост которых расходуется пища (Hg/L),